ENERGIA ŚWIETLNA: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, POZYSKIWANIE, PRZYKŁADY - NAUKA - 2026

Energia świetlna lub światło to światło, które przenosi falę elektromagnetyczną. To energia sprawia, że ​​świat wokół nas jest widzialny, a jej głównym źródłem jest Słońce, wchodzące w skład widma elektromagnetycznego, wraz z innymi formami niewidzialnego promieniowania.

Fale elektromagnetyczne wchodzą w interakcję z materią i są zdolne do wywoływania różnych efektów w zależności od przenoszonej energii. W ten sposób światło nie tylko pozwala zobaczyć przedmioty, ale także powoduje zmiany w materii.

Rysunek 1. Słońce jest głównym źródłem energii świetlnej na Ziemi. Źródło: Pixabay.

Charakterystyka energii świetlnej

Do głównych cech energii świetlnej należą:

-Ma dwoistą naturę: na poziomie makroskopowym światło zachowuje się jak fala, ale na poziomie mikroskopowym wykazuje właściwości cząstek.

-Jest transportowany w paczkach lub „kwantach” światła zwanych fotonami. Fotony nie mają masy ani ładunku elektrycznego, ale mogą wchodzić w interakcje z innymi cząsteczkami, takimi jak atomy, cząsteczki lub elektrony, i przekazywać im pęd.

-Nie wymaga materiału do rozprowadzania. Możesz to zrobić w próżni przy prędkości światła: c = 3 × 10 ⁸ m / s.

-Energia świetlna zależy od częstotliwości fali. Jeżeli oznaczymy jako M energii i częstotliwości jako E, energia światła jest przez E = HF, gdzie h jest stałą Plancka, którego wartość wynosi 6.625 10 ^-34 J • s. Im wyższa częstotliwość, tym więcej energii.

-Podobnie jak inne rodzaje energii, jest mierzona w dżulach (J) w międzynarodowym układzie jednostek SI.

-Długości fal światła widzialnego mieszczą się w zakresie od 400 do 700 nanometrów. 1 nanometr, w skrócie nm, to 1 x ^10-9 m.

-Częstotliwość i długość fali λ są powiązane przez c = λ.f, stąd E = hc / λ.

Rodzaje energii świetlnej

Energię świetlną można podzielić ze względu na jej źródło w:

-Naturalny

-Sztuczny

Rysunek 2. Widmo światła widzialnego fal elektromagnetycznych to wąskie kolorowe pasmo. Źródło: F. Zapata.

Naturalna energia świetlna

Naturalnym źródłem energii świetlnej par excellence jest Słońce. Będąc gwiazdą, Słońce ma w swoim centrum reaktor jądrowy, który przekształca wodór w hel w wyniku reakcji, które wytwarzają ogromne ilości energii.

Energia ta opuszcza Słońce w postaci światła, ciepła i innych rodzajów promieniowania, emitując w sposób ciągły około 62 600 kilowatów na każdy metr kwadratowy powierzchni - -1 kilowat odpowiada 1000 watów, co z kolei jest równe 1000 dżuli / sekundę.

Rośliny wykorzystują część tej dużej ilości energii do przeprowadzenia fotosyntezy, ważnego procesu, który stanowi podstawę życia na Ziemi. Innym źródłem naturalnego światła, ale o znacznie mniejszej energii, jest bioluminescencja, zjawisko, w którym żywe organizmy wytwarzają światło.

Pioruny i ogień są innymi źródłami energii świetlnej w przyrodzie, tych pierwszych nie da się kontrolować, a tych drugich towarzyszy ludzkości od czasów prehistorycznych.

Sztuczna energia świetlna

Jeśli chodzi o sztuczne źródła energii świetlnej, wymagają one konwersji innych rodzajów energii, np. Elektrycznej, chemicznej czy kalorycznej, na światło. Do tej kategorii należą żarówki żarowe, których niezwykle gorący żarnik emituje światło. Lub też światło, które uzyskuje się w procesach spalania, jak płomień świecy.

Bardzo ciekawym źródłem energii świetlnej jest laser. Ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach, w tym między innymi w medycynie, komunikacji, bezpieczeństwie, informatyce i technologii kosmicznej.

Rysunek 3. Maszyna do cięcia wykorzystuje laser do wykonywania wysoce precyzyjnych cięć przemysłowych. Źródło: Pixabay.

Wykorzystuje energię świetlną

Energia świetlna pomaga nam komunikować się z otaczającym nas światem, działając jako nośnik i przekaźnik danych oraz informując nas o warunkach środowiskowych. Starożytni Grecy używali już luster do wysyłania podstawowych sygnałów na duże odległości.

Na przykład, kiedy oglądamy telewizję, emitowane przez nią dane w postaci obrazów docierają do naszego mózgu poprzez zmysł wzroku, który wymaga energii świetlnej, aby pozostawić ślad na nerwu wzrokowym.

Nawiasem mówiąc, dla komunikacji telefonicznej ważna jest również energia świetlna, poprzez tak zwane światłowody, które przewodzą energię świetlną minimalizując straty.

Wszystko, co wiemy o odległych obiektach, to informacje otrzymane za pośrednictwem światła, które emitują, analizowane za pomocą różnych instrumentów: teleskopów, spektrografów i interferometrów.

Te pierwsze pomagają zebrać kształt obiektów, ich jasność - jeśli do naszych oczu dociera wiele fotonów, jest to obiekt lśniący - oraz ich kolor, który zależy od długości fali.

Daje również wyobrażenie o jego ruchu, ponieważ energia fotonów wykrywanych przez obserwatora jest inna, gdy źródło, które ją emituje, jest w ruchu. Nazywa się to efektem Dopplera.

Spektrografy zbierają sposób rozprowadzania tego światła - widmo - i analizują je, aby uzyskać wyobrażenie o składzie obiektu. Za pomocą interferometru można rozróżnić światło z dwóch źródeł, nawet jeśli teleskop nie ma wystarczającej rozdzielczości, aby je rozróżnić.

Efekt fotowoltaiczny

Energię świetlną emitowaną przez Słońce można przekształcić w energię elektryczną dzięki efektowi fotowoltaicznemu, odkrytemu w 1839 roku przez francuskiego naukowca Alexandre'a Becquerela (1820-1891), ojca Henri Becquerela, który odkrył promieniowanie.

Wynika to z faktu, że światło jest w stanie wytworzyć prąd elektryczny, oświetlając półprzewodnikowe związki krzemu, które zawierają zanieczyszczenia innymi pierwiastkami. Zdarza się, że gdy światło oświetla materiał, przekazuje energię, która zwiększa ruchliwość elektronów walencyjnych, a tym samym zwiększa jego przewodnictwo elektryczne.

Otrzymywanie

Od samego początku ludzkość dążyła do kontrolowania wszystkich form energii, w tym energii świetlnej. Pomimo tego, że Słońce stanowi prawie niewyczerpane źródło w ciągu dnia, zawsze trzeba było wytwarzać światło w jakiś sposób, aby chronić się przed drapieżnikami i kontynuować wykonywanie zadań rozpoczętych w ciągu dnia.

Możliwe jest uzyskanie energii świetlnej poprzez pewne procesy, które można w jakiś sposób kontrolować:

-Spalanie, spalając substancję utlenia się, wydzielając ciepło i często światło podczas procesu.

-Żarzenie, na przykład podczas podgrzewania żarnika wolframowego, takiego jak żarówki elektryczne.

Rysunek 4. Żarówki działają na zasadzie przepuszczania prądu elektrycznego przez żarnik wolframowy. Po podgrzaniu emituje ciepło i światło. Źródło: Pixabay.

-Luminescencja, w tym efekcie światło jest wytwarzane przez wzbudzanie w jakiś sposób pewnych substancji. Niektóre owady i algi wytwarzają światło, które nazywa się bioluminescencją.

-Elektroluminescencja, istnieją materiały, które emitują światło, gdy są stymulowane przez prąd elektryczny.

W przypadku każdej z tych metod światło uzyskuje się bezpośrednio, które zawsze ma energię świetlną. Teraz wytwarzanie energii świetlnej w dużych ilościach to coś innego.

Korzyść

-Energia światła odgrywa szczególnie istotną rolę w przekazywaniu informacji.

-Korzystanie ze światła słonecznego jest darmowe, jest to również prawie niewyczerpane źródło, jak powiedzieliśmy.

-Energia światła sama w sobie nie zanieczyszcza (ale niektóre procesy jej uzyskiwania mogą być).

-W miejscach, gdzie światło słoneczne jest obfite przez cały rok, można wytwarzać energię elektryczną z efektem fotowoltaicznym, a tym samym zmniejszać zależność od paliw kopalnych.

- Obiekty wykorzystujące energię świetlną Słońca są łatwe w utrzymaniu.

-Krótka ekspozycja na światło słoneczne jest niezbędna dla organizmu ludzkiego do syntezy witaminy D, niezbędnej dla zdrowych kości.

-Bez energii świetlnej rośliny nie są w stanie przeprowadzić fotosyntezy, która jest podstawą życia na Ziemi.

Niedogodności

-Nie można go przechowywać, w przeciwieństwie do innych rodzajów energii. Ale ogniwa fotowoltaiczne mogą być zasilane bateriami, aby przedłużyć ich użycie.

- Zasadniczo obiekty wykorzystujące energię świetlną są drogie, a także wymagają przestrzeni, chociaż koszty spadły wraz z upływem czasu i ulepszeniami. Obecnie testowane są nowe materiały i elastyczne ogniwa fotowoltaiczne, aby zoptymalizować wykorzystanie przestrzeni.

- Długotrwała lub bezpośrednia ekspozycja na światło słoneczne powoduje uszkodzenie skóry i wzroku, ale głównie z powodu promieniowania ultrafioletowego, którego nie widzimy.

Przykłady energii świetlnej

W poprzednich rozdziałach wymieniliśmy wiele przykładów energii świetlnej: światło słoneczne, świece, lasery. W szczególności istnieje kilka bardzo interesujących przykładów energii świetlnej, ze względu na niektóre z wymienionych powyżej efektów:

Światło LED

Rysunek 5. Diody LED są bardziej wydajne niż żarówki, ponieważ wydzielają mniej ciepła i dłużej emitują energię świetlną. Źródło: Pixabay.

Nazwa światła LED wywodzi się od angielskiej diody elektroluminescencyjnej i jest wytwarzana przez przepuszczanie prądu elektrycznego o małej intensywności przez materiał półprzewodnikowy, który w odpowiedzi emituje intensywne i wydajne światło.

Lampy LED działają znacznie dłużej niż tradycyjne żarówki i są znacznie bardziej wydajne niż tradycyjne żarówki, w których prawie cała energia jest zamieniana na ciepło, a nie na światło. Dlatego światła LED są mniej zanieczyszczające, chociaż ich koszt jest wyższy niż w przypadku żarówek.

Bioluminescencja

Wiele żywych istot jest w stanie przekształcić energię chemiczną w energię świetlną w wyniku reakcji biochemicznej w ich wnętrzu. Między innymi owady, ryby i bakterie są w stanie wytwarzać własne światło.

Robią to z różnych powodów: ochrony, przyciągania partnera, sposobu na złapanie ofiary, komunikowania się i oczywiście oświetlenia drogi.

Bibliografia

1. Blair, B. Podstawy światła. Odzyskany z: blair.pha.jhu.edu
2. Energia słoneczna. Efekt fotowoltaiczny. Odzyskany z: solar-energia.net.
3. Tillery, B. 2013. Integrate Science. 6th. Wydanie. McGraw Hill.
4. Wszechświat dzisiaj. Co to jest energia świetlna. Odzyskany z: universetoday.com.
5. Vedantu. Energia światła. Odzyskany z: vedantu.com.
6. Wikipedia. Energia świetlna. Odzyskane z: es.wikipedia.org.